(57)【要約】Ｓｉ半導体で作製されたスイッチング素子の温度上昇が低く抑えられ、モジュールの冷却効率を高くすることができる電力用半導体モジュールを得るために、Ｓｉ半導体で作製されたスイッチング素子４と、ワイドバンドギャップ半導体で作製されたダイオード５とを備え、ダイオード５は、電力用半導体モジュール１００の中央領域に配置され、スイッチング素子４は、電力用半導体モジュール１００の中央領域の両側または周辺に配置されたものである。
2011086896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ半導体素子と、ワイドバンドギャップ半導体素子とを備えた電力用半導体モジュールであって、
前記ワイドバンドギャップ半導体素子は、前記電力用半導体モジュールの中央領域に配置され、
前記Ｓｉ半導体素子は、前記中央領域の両側または周辺に配置されたことを特徴とする電力用半導体モジュール。
【請求項２】
Ｓｉ半導体素子と、ワイドバンドギャップ半導体素子とを備えた電力用半導体モジュールであって、
前記ワイドバンドギャップ半導体素子は、前記複数のＳｉ半導体素子に挟まれるように配置、または囲まれるように配置されたことを特徴とする電力用半導体モジュール。
【請求項３】
前記Ｓｉ半導体素子はスイッチング素子であり、前記ワイドバンドギャップ半導体素子はダイオードであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項４】
前記Ｓｉ半導体素子はダイオードであり、前記ワイドバンドギャップ半導体素子はスイッチング素子であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項５】
前記Ｓｉ半導体素子および前記ワイドバンドギャップ半導体素子は、同一の絶縁基板に実装されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項６】
前記Ｓｉ半導体素子および前記ワイドバンドギャップ半導体素子は、それぞれ別々の絶縁基板に実装されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項７】
前記Ｓｉ半導体素子が実装された絶縁基板および前記ワイドバンドギャップ半導体素子が実装された絶縁基板は、同一のベース板上に設置されたことを特徴とする請求項５または６に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項８】
前記Ｓｉ半導体素子が実装された絶縁基板および前記ワイドバンドギャップ半導体素子が実装された絶縁基板は、それぞれ別々のベース板上に設置されたことを特徴とする請求項６に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項９】
前記ワイドバンドギャップ半導体素子が配置された領域を覆う絶縁封止材は、前記Ｓｉ半導体素子が配置された領域を覆う絶縁封止材よりも高耐熱特性を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項１０】
前記ワイドバンドギャップ半導体素子が配置された領域を覆う絶縁封止材は、フッ素系樹脂、ポリイミド、ポリアミド、エポキシ、高耐熱シリコーン系樹脂のいずれかで形成され、前記Ｓｉ半導体素子が配置された領域を覆う絶縁封止材は、シリコーンゲルまたはシリコーンゴムで形成されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項１１】
前記ワイドバンドギャップ半導体素子は、シリコンカーバイト、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドで作製されたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、スイッチング素子とスイッチング素子に対して逆並列に接続されたダイオードとを内蔵した電力用半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング素子とスイッチング素子に対して逆並列に接続されたダイオードとを内蔵した電力用半導体モジュールは、直流−交流や直流−直流などの変換を行う電力変換器などに広く用いられている。従来、スイッチング素子やダイオードには、Ｓｉ（シリコン）半導体が用いられてきたが、最近では、ＳｉＣ（シリコンカーバイト）半導体に代表されるワイドバンドギャップ半導体を適用する開発が進められている。ＳｉＣ半導体はＳｉ半導体に比べ、低損失、高温動作可能、高耐圧といった特徴があり、ＳｉＣ半導体を用いることにより、電力用半導体モジュールの小型化や低損失化が可能となり、また、電力用半導体モジュールに取り付ける冷却器の小型化や電力用半導体モジュールを用いた電力変換器の高効率化が可能となる。【０００３】
スイッチング素子およびダイオードの双方にＳｉＣ半導体を用いることにより、上述のような効果が大きくなる。しかしながら、スイッチング素子はダイオードに比べて構造が複雑であるため、スイッチング素子にＳｉＣ半導体を用いることについては製造上の課題も残されている。このため、スイッチング素子にはＳｉ半導体を用い、ダイオードのみにＳｉＣ半導体を用いて、同一の金属ベース上にＳｉ製スイッチング素子およびＳｉＣ製ダイオードが配置された半導体モジュールが提案されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−９５６７０号公報（第１０−１１頁、第８図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
Ｓｉ製スイッチング素子とＳｉＣ製ダイオードを同一の電力用半導体モジュール内に配置する場合、Ｓｉ製スイッチング素子に比べてＳｉＣ製ダイオードの方が、損失が小さく、高温での動作が可能であるため、その特性を考慮し、熱的に最適な配置や構造とする必要がある。特許文献１に示された従来の半導体モジュールでは、Ｓｉ製スイッチング素子とＳｉＣ製ダイオードは左右に分かれて配置されている。Ｓｉ製スイッチング素子とＳｉＣ製ダイオードは別々の絶縁基板上に配置されているが、複数のＳｉ製スイッチング素子を配置する場合、Ｓｉ製スイッチング素子同士の熱干渉により、電力用半導体モジュールの中央領域に配置されたＳｉ製スイッチング素子の温度が上昇する可能性があるという問題点があった。【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、Ｓｉ半導体で作製されたスイッチング素子と、より高温利用可能なワイドバンドギャップ半導体で作製されたダイオードとを同一の電力用半導体モジュール内に配置する場合、Ｓｉ半導体で作製されたスイッチング素子の温度上昇が低く抑えられ、冷却効率の高い電力用半導体モジュールを得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る電力用半導体モジュールは、Ｓｉ半導体素子と、ワイドバンドギャップ半導体素子とを備えた電力用半導体モジュールであって、ワイドバンドギャップ半導体素子は、電力用半導体モジュールの中央領域に配置され、Ｓｉ半導体素子は、中央領域の両側または周辺に配置されたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明に係る電力用半導体モジュールは、ワイドバンドギャップ半導体素子が電力用半導体モジュールの中央領域に配置され、Ｓｉ半導体素子が中央領域の両側または周辺に配置されるので、Ｓｉ半導体素子の温度上昇が低く抑えられ、電力用半導体モジュールの冷却効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１における電力用半導体モジュールの断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１における電力用半導体モジュールの内部配置を示す上面図である。
【図３】この発明の実施の形態２における電力用半導体モジュールの内部配置を示す上面図である。
【図４】この発明の実施の形態３における電力用半導体モジュールの内部配置を示す上面図である。
【図５】この発明の実施の形態４における電力用半導体モジュールの内部配置を示す上面図である。
【図６】この発明の実施の形態５における電力用半導体モジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における電力用半導体モジュールの断面図であり、電力用半導体モジュールの断面を簡略化して示した図である。図１において、電力用半導体モジュール１００は、ベース板１、絶縁基板２、導体パターン３、Ｓｉ半導体で作製されたＳｉ製スイッチング素子４、ワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣ半導体で作製されたＳｉＣ製ダイオード５、ワイヤ配線６、主電極７，８、制御端子９，１０、ケース１１、絶縁封止材１２などによって構成されている。Ｓｉ製スイッチング素子４がＳｉ半導体素子であり、ＳｉＣ製ダイオード５がワイドバンドギャップ半導体素子である。
【００１１】
ベース板１は、電力用半導体モジュール１００を外部の冷却器へ取り付けるものであり、ベース板１の一方の面（図１においては下側）に図示しない冷却器が外部から取り付けられる。ベース板１を介して、電力用半導体モジュール１００内部で発生した熱は外部へ放出される。ベース板１の他方の面（図１においては上側）には絶縁基板２が半田などにより設置されている。絶縁基板２の一方の面（図１においては下側）はベース板１に取り付けられる面であるが、絶縁基板２の他方の面（図１においては上側）には電流経路となる導体パターン３が形成されている。
【００１２】
導体パターン３上にはＳｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５が実装されている。Ｓｉ製スイッチング素子４はオン／オフ制御可能な半導体素子であれば良く、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などが用いられる。また、ＳｉＣ製ダイオード５としては、例えばショットキーバリアダイオードやＰｉＮ（ｐ−ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ−ｎ）ダイオードなどが用いられる。
【００１３】
Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５は電気的には逆並列に接続されており、例えばＳｉ製スイッチング素子４としてＩＧＢＴを用いる場合には、ＩＧＢＴのコレクタとＳｉＣ製ダイオード５のカソードが導体パターン３を介して電気的に接続される。Ｓｉ製スイッチング素子４およびＳｉＣ製ダイオード５にはワイヤ配線６が施されており、導体パターン３およびワイヤ配線６を介して電気的に主電極７，８および制御端子９，１０に接続されている。主電極７，８は、図示しない外部回路に接続され、電力変換器などの主回路を構成する。制御端子９，１０には、Ｓｉ製スイッチング素子４をオン／オフ制御する制御信号が外部回路から与えられる。なお、図１では電力用半導体モジュール内の構成をわかりやすくするために、主電極７，８および制御端子９，１０を簡略化して記載している。
【００１４】
Ｓｉ製スイッチング素子４やＳｉＣ製ダイオード５などの電力用半導体モジュール１００を構成する部品類はケース１１内に収納されている。そして、電力用半導体モジュール１００内部の絶縁を保つため、ケース１１内には絶縁封止材１２が充填されている。
【００１５】
図２は、図１に示した状態から主電極７，８、制御端子９，１０、ケース１１、および絶縁封止材１２を外した状態で電力用半導体モジュール１００を上面から見た場合の電力用半導体モジュールの内部配置を示す上面図である。図２において、図１と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することである。
【００１６】
図１に示した主電極７は、導体パターン３上の主電極取り付け点１３に接続され、主電極８、制御端子９，１０はそれぞれ、主電極取り付け点１４、制御端子取り付け点１５，１６に接続され、導体パターン３およびワイヤ配線６を介して、Ｓｉ製スイッチング素子４やＳｉＣ製ダイオード５と電気的に接続されている。また、ベース板１には取り付け穴１７が設けられており、電力用半導体モジュール１００は取り付け穴１７を利用して外部の冷却器などに取り付けられる。
【００１７】
Ｓｉ製スイッチング素子４、ＳｉＣ製ダイオード５は、電力用半導体モジュール１００にそれぞれ複数個（図２では、Ｓｉ製スイッチング素子４が１６個、ＳｉＣ製ダイオード５が３２個）配置されている。図２において、複数のＳｉＣ製ダイオード５は、電力用半導体モジュール１００の中央領域にまとまって配置されている。本実施の形態における、中央領域とは、電力用半導体モジュール１００を上面から見て左右を分断する帯状の領域のことである。複数のＳｉ製スイッチング素子４は、この中央領域の両側の領域に分かれて配置（電力用半導体モジュール１００の両サイドに配置）されている。つまり、ＳｉＣ製ダイオード５は、複数のＳｉ製スイッチング素子４の間に挟まれるように配置されている。一例として、図２では、電力用半導体モジュール１００の両側に８個ずつ分かれてＳｉ製スイッチング素子４が配置され、その間に３２個のＳｉＣ製ダイオード５が配置されている。
【００１８】
一般に、スイッチング素子やダイオードなどの半導体素子を同一の電力用半導体モジュール内に多数実装する場合、各半導体素子の損失が同じであっても、電力用半導体モジュールの中央領域に実装された半導体素子は放熱しにくいため、温度が上昇しやすい。一方、電力用半導体モジュールの両サイドまたは周辺部に実装された半導体素子は放熱しやすく、温度上昇しにくい。このため、例えばダイオードにスイッチング素子と同じＳｉ半導体を用いて電力用半導体モジュールの中央領域に実装した場合、ダイオードの温度が上昇しすぎるという問題がある。しかしながら、ＳｉＣ製ダイオードは低損失という特徴があるため、本実施の形態のように、ＳｉＣ製ダイオード５を電力用半導体モジュール１００の中央領域に配置しても、温度上昇を抑制することができる。また、ＳｉＣ製ダイオード５は高温利用可能であるため、温度が上昇しやすい中央領域に配置しても、正常に動作させることができる。さらに、Ｓｉ製スイッチング素子４を中央領域の両側に配置したため、Ｓｉ製スイッチング素子４からの放熱がしやすく、温度上昇を抑制することができる。このため、例えば外部に設ける冷却器の小型化や、Ｓｉ製スイッチング素子４の配置領域を小さくして電力用半導体モジュール１００自体を小型化することが可能となる。
【００１９】
なお、ＳｉＣ製ダイオード５は高温利用可能という特徴があり、高温利用する場合には、例えばダイオードの配置領域を小さくできるなどの利点がある。ただし、必ずしも高温で利用する必要はなく、Ｓｉ製スイッチング素子４と同じ温度範囲で用いても良い。その場合でも、損失が低いことから、電力用半導体モジュール１００の中央領域に配置することができる。また、絶縁封止材や半田などのダイオード周辺部品についてもＳｉ製スイッチング素子４と同じ温度範囲で使用できるものが使用可能となる。また、高温まで利用しないため、ヒートサイクルに対する信頼性も向上する。
【００２０】
また、電力用半導体モジュール１００の中央領域にＳｉＣ製ダイオード５を配置し、両側にＳｉ製スイッチング素子４を配置するため、ＳｉＣ製ダイオード５の放熱性が悪く、Ｓｉ製スイッチング素子４の放熱性が良くなる。このため、Ｓｉ製スイッチング素子４の放熱性をＳｉＣ製ダイオード５の放熱性より良くするために、Ｓｉ製スイッチング素子４直下の冷却性能をＳｉＣ製ダイオード５直下の冷却性能より高めるような特別な冷却器を設置する必要がなく、それぞれ使用可能な温度範囲で使えるため、汎用性が高くなる。
【００２１】
本実施の形態における電力用半導体モジュール１００では、同じベース板１、絶縁基板２上にＳｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５を配置している。Ｓｉ製スイッチング素子、ＳｉＣ製ダイオードをそれぞれ別々の絶縁基板、ベース板上に配置した場合には、熱干渉の影響が抑えられるという利点がある。しかしながら、スイッチング素子の損失が大きくなる運転条件とダイオードの損失が大きくなる運転条件が異なる場合が考えられる。例えば、電力用半導体モジュールをインバータとしてモータ駆動に用いる場合、インバータ側からモータ側にエネルギーを供給する力行運転では、ダイオードに比べてスイッチング素子の通電時間が長く、スイッチング素子の損失が大きくなり、モータ側からインバータ側へエネルギーを供給する回生運転では、スイッチング素子に比べてダイオードの通電時間が長く、ダイオードの損失が大きくなる。
【００２２】
このため、ＳｉＣ製ダイオード５に比べてＳｉ製スイッチング素子４の損失が大きい条件では、ＳｉＣ製ダイオード５からの熱干渉の影響は小さく、Ｓｉ製スイッチング素子４から、絶縁基板２、ベース板１全体を使って放熱できるので、同じベース板１、絶縁基板２上にＳｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５を配置した方が、電力用半導体モジュール１００全体の放熱性が向上する。また、同じベース板１、絶縁基板２上にＳｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５を配置した方が、部品点数が減り、配線も容易という利点もある。
【００２３】
本実施の形態における電力用半導体モジュールの構成は一例であり、ＳｉＣ製ダイオード５が電力用半導体モジュール１００の中央領域に配置され、Ｓｉ製スイッチング素子４が中央領域の両側に配置されればよいので、電力用半導体モジュール１００を構成する他の部品類の配置などに特に制約はない。例えば、主電極７，８や制御電極９，１０とＳｉ製スイッチング素子４やＳｉＣ製ダイオード５との間の接続についても、電気的に接続されていれば良く、主電極７，８に直接ワイヤ配線にて接続したり、ワイヤ配線を使わずにブスバーを用いた配線にしても良い。このような場合、電力用半導体モジュール１００内部のＳｉ製スイッチング素子４やＳｉＣ製ダイオード５の配置が多少変わる可能性があるが、ＳｉＣ製ダイオード５が電力用半導体モジュール１００の中央領域に、Ｓｉ製スイッチング素子４が中央領域の両側に配置されていれば良い。
【００２４】
以上のように、低損失で高温利用可能なワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣ半導体で作製されたＳｉＣ製ダイオード５を、温度が上昇しやすい電力用半導体モジュール１００の中央領域に配置し、Ｓｉ半導体で作製されたＳｉ製スイッチング素子４を高温になりにくい電力用半導体モジュール１００の両サイドに配置するので、Ｓｉ製スイッチング素子４の温度上昇が低く抑えられ、電力用半導体モジュール１００の冷却効率を高くすることができる。
【００２５】
なお、本実施の形態では、ＳｉＣ製ダイオード５を電力用半導体モジュール１００の中央領域に配置し、Ｓｉ製スイッチング素子４を電力用半導体モジュール１００の両サイドに配置している場合について説明した。しかしながら、ＳｉＣ半導体で作製されたＳｉＣ製スイッチング素子およびＳｉ半導体で作製されたＳｉ製ダイオードを用い、ＳｉＣ製スイッチング素子を電力用半導体モジュールの中央領域に配置し、Ｓｉ製ダイオードを電力用半導体の両サイドに配置してもよい。この場合には、ＳｉＣ製スイッチング素子およびＳｉ製ダイオードの配置に応じて、導体パターン、ワイヤ配線、主電極、制御端子等も適正に配置される。このように、低損失で高温利用可能なワイドギャップ半導体であるＳｉＣ製スイッチング素子を温度が上昇しやすい電力用半導体モジュールの中央領域に配置し、Ｓｉ製ダイオードを高温になりにくい電力半導体モジュールの両サイドに配置するので、Ｓｉ製ダイオードの温度上昇が低く抑えられ、電力用半導体モジュールの冷却効率を高くすることができる。
【００２６】
実施の形態２．
図３は、この発明を実施するための実施の形態２における電力用半導体モジュールの内部配置を示す上面図である。図２と同様に、主電極、制御端子、ケース、および絶縁封止材を外した状態で電力用半導体モジュール２００を上面から見た図である。実施の形態１では、ＳｉＣ製ダイオード５が電力用半導体モジュール１００の中央領域に配置され、Ｓｉ製スイッチング素子４が中央領域の両側に配置されていたが、本実施の形態では、Ｓｉ製スイッチング素子４が中央領域を囲む周辺部に配置（電力用半導体モジュール２００の周辺部に配置）されている点が実施の形態１と異なる。
【００２７】
Ｓｉ製スイッチング素子４、ＳｉＣ製ダイオード５は、電力用半導体モジュール２００にそれぞれ複数個（図３では、Ｓｉ製スイッチング素子４が１６個、ＳｉＣ製ダイオード５が３２個）配置されている。図３において、複数のＳｉＣ製ダイオード５は、電力用半導体モジュール２００の中央領域にまとまって配置されている。本実施の形態における、中央領域とは、電力用半導体モジュール２００を上面から見て中心部の領域のことである。複数のＳｉ製スイッチング素子４は、この中央領域を囲む周辺部に配置されている。つまり、Ｓｉ製スイッチング素子４に囲まれるようにＳｉＣ製ダイオード５が電力用半導体モジュール２００の中央領域に配置されている。一例として、図３では、外周を形成するように１６個のＳｉ製スイッチング素子４が配置され、１６個のＳｉ製スイッチング素子４に囲まれるように３２個のＳｉＣ製ダイオード５が配置されている。なお、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５の配置変更に伴い、ワイヤ配線６などの配線パターンも変更されている。
【００２８】
本実施の形態によれば、低損失、高温利用可能といった特徴を有するＳｉＣ製ダイオード５を用いているので、ＳｉＣ製ダイオードを電力用半導体モジュール２００の中央領域に配置し、全てのＳｉ製スイッチング素子４を中央領域の周辺部に配置することができる。このため、実施の形態１の構成よりも更にＳｉ製スイッチング素子４の放熱性が良く、Ｓｉ製スイッチング素子４の温度上昇を抑制することができる。なお、ＳｉＣ製ダイオード５は高温利用可能という特徴があるが、必ずしも高温で使う必要はなく、Ｓｉ製スイッチング素子４と同じ温度範囲で用いても良い。
【００２９】
本実施の形態における電力用半導体モジュールの構成は一例であり、ＳｉＣ製ダイオード５が電力用半導体モジュール２００の中央領域に配置され、Ｓｉ製スイッチング素子４が中央領域を囲む周辺部に配置されればよいので、実施の形態１と同様に、電力用半導体モジュール２００を構成する他の部品類の配置などに特に制約はない。例えば、主電極７，８や制御電極９，１０とＳｉ製スイッチング素子４やＳｉＣ製ダイオード５との間の接続についても、電気的に接続されていれば良く、主電極７，８に直接ワイヤ配線にて接続したり、ワイヤ配線を使わずにブスバーを用いた配線にしても良い。このような場合、電力用半導体モジュール２００内部のＳｉ製スイッチング素子４やＳｉＣ製ダイオード５の配置が多少変わる可能性があるが、ＳｉＣ製ダイオード５が電力用半導体モジュール２００の中央領域に配置され、Ｓｉ製スイッチング素子４が中央領域を囲む周辺部に配置されていれば良い。
【００３０】
以上のように、低損失で高温利用可能なワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣ半導体で作製されたＳｉＣ製ダイオード５を、温度が上昇しやすい電力用半導体モジュール２００の中央領域に配置し、Ｓｉ半導体で作製されたＳｉ製スイッチング素子４を高温になりにくい電力用半導体モジュール２００の周辺部に配置するので、Ｓｉ製スイッチング素子４の温度上昇が低く抑えられ、電力用半導体モジュール２００の冷却効率を高くすることができる。
【００３１】
なお、本実施の形態では、ＳｉＣ製ダイオード５を電力用半導体モジュール２００の中央領域に配置し、Ｓｉ製スイッチング素子４を電力用半導体モジュール２００の周辺部に配置している場合について説明した。しかしながら、ＳｉＣ半導体で作製されたＳｉＣ製スイッチング素子およびＳｉ半導体で作製されたＳｉ製ダイオードを用い、ＳｉＣ製スイッチング素子を電力用半導体モジュールの中央領域に配置し、Ｓｉ製ダイオードを電力用半導体の周辺部に配置してもよい。この場合には、ＳｉＣ製スイッチング素子およびＳｉ製ダイオードの配置に応じて、導体パターン、ワイヤ配線、主電極、制御端子等も適正に配置される。このように、低損失で高温利用可能なワイドギャップ半導体であるＳｉＣ製スイッチング素子を温度が上昇しやすい電力用半導体モジュールの中央領域に配置し、Ｓｉ製ダイオードを高温になりにくい電力半導体モジュールの周辺部に配置するので、Ｓｉ製ダイオードの温度上昇が低く抑えられ、電力用半導体モジュールの冷却効率を高くすることができる。
【００３２】
実施の形態３．
図４は、この発明を実施するための実施の形態３における電力用半導体モジュールの内部配置を示す上面図である。図２と同様に、主電極、制御端子、ケース、および絶縁封止材を外した状態で電力用半導体モジュール３００を上面から見た図である。本実施の形態では、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５が別々の絶縁基板１８，１９上に実装されている点が実施の形態１と異なる。Ｓｉ製スイッチング素子４は、スイッチング素子用絶縁基板１８に、ＳｉＣ製ダイオード５は、ダイオード用絶縁基板１９にそれぞれ実装されている。また、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５が別々の絶縁基板１８，１９に実装されるため、スイッチング素子用絶縁基板１８の導体パターンとダイオード用絶縁基板１９の導体パターンを電気的に接続するワイヤ配線２０を別途設けている。なお、ワイヤ配線を用いなくても、電気的に接続されれば良く、例えば、主電極７，８に直接ワイヤ配線にて接続したり、ワイヤ配線を使わずにブスバーを用いた配線にしても良い。
【００３３】
実施の形態１、２における電力用半導体モジュールのように、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５が同一の絶縁基板２上に実装されている場合、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５が同時に発熱する条件で動作させると、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５の熱干渉により、温度が上昇する。本実施の形態は、このような熱干渉の影響を軽減するためのものであり、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５が別々の絶縁基板１８，１９上に実装されているので、Ｓｉ製スイッチング素子４がＳｉＣ製ダイオード５からの熱干渉の影響を受けにくくなり、Ｓｉ製スイッチング素子４の温度上昇を抑制することができる。
【００３４】
なお、スイッチング素子用絶縁基板１８とダイオード用絶縁基板１９は同じ材質であっても良いし、ＳｉＣ製ダイオード５を高温で利用する場合には耐熱性やヒートサイクル性を考慮して異なる材質のものを用いても良い。
【００３５】
以上のように、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５が別々の絶縁基板１８，１９上に実装されているので、Ｓｉ製スイッチング素子４がＳｉＣ製ダイオード５からの熱干渉の影響を受けにくくなり、Ｓｉ製スイッチング素子４の温度上昇を抑制することができる。
【００３６】
実施の形態４．
図５は、この発明を実施するための実施の形態４における電力用半導体モジュールの断面図であり、電力用半導体モジュールの断面を簡略化して示した図である。図２と同様に、主電極、制御端子、ケース、および絶縁封止材を外した状態で電力用半導体モジュール４００を上面から見た図である。本実施の形態では、Ｓｉ製スイッチング素子４が実装されたスイッチング素子用絶縁基板１８とＳｉＣ製ダイオード５が実装されたダイオード用絶縁基板１９が別々のベース板２１，２２上に取り付けられている点が実施の形態３と異なる。Ｓｉ製スイッチング素子４が実装されたスイッチング素子用絶縁基板１８がスイッチング素子用ベース板２１に取り付けられ、ＳｉＣ製ダイオード５が実装されたダイオード用絶縁基板１９は、ダイオード用ベース板２２に取り付けられている。図５では、ダイオード用ベース板２２の両側にスイッチング素子用ベース板２１が設けられている。スイッチング素子用ベース板２１とダイオード用ベース板２２との間は樹脂などの断熱性材料２３によって接続されている。また、各ベース板２１，２２には、取り付け穴１７が設けられている。
【００３７】
実施の形態１〜３における電力用半導体モジュールのように、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５が同一のベース板１上に実装されている場合、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５が同時に発熱する条件で動作させると、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５の熱干渉により、温度が上昇する。本実施の形態は、このような熱干渉の影響を軽減するためのものであり、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５が別々のベース板２１，２２上に実装されているので、Ｓｉ製スイッチング素子４がＳｉＣ製ダイオード５からの熱干渉の影響を受けにくくなり、実施の形態３で示した電力用半導体モジュール３００よりさらに、Ｓｉ製スイッチング素子４の温度上昇を抑制することができる。
【００３８】
以上のように、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５が別々のベース板２１，２２上に実装されているので、Ｓｉ製スイッチング素子４がＳｉＣ製ダイオード５からの熱干渉の影響を受けにくくなり、Ｓｉ製スイッチング素子４の温度上昇を抑制することができる。
【００３９】
実施の形態５．
図６は、この発明を実施するための実施の形態５における電力用半導体モジュールの断面図であり、電力用半導体モジュールの断面を簡略化して示した図である。図６には、主電極および制御端子を示していない。本実施の形態における電力用半導体モジュール５００では、ケース１１内に充填される絶縁封止材を１種類とせずに、高耐熱絶縁封止材２４と低耐熱絶縁封止材２５の２種類を用いている点が実施の形態１〜４と異なる。ＳｉＣ製ダイオード５の周辺には高耐熱絶縁封止材２４を用い、Ｓｉ製スイッチング素子４の周辺など、それ以外の部分には高耐熱封止材２４に比べて耐熱性の低い低耐熱絶縁封止材２５を用いている。
【００４０】
高耐熱絶縁封止材２４としては、例えばフッ素系樹脂やポリイミド、ポリアミド、エポキシ、さらには、架橋密度を上げたり、金属酸化物を添加したりした耐熱性を高めたシリコーン系樹脂が用いられる。低耐熱絶縁封止材２５としては、シリコーンゲル、シリコーンゴムなどが用いられる。高耐熱絶縁封止材２４は、ＳｉＣ製ダイオード５とＳｉＣ製ダイオード５に接続されるワイヤ配線６を覆うことが望ましく、ヒートサイクルに対する信頼性を確保するためには、ワイヤ配線が異なる２種類の絶縁封止材２４，２５間にまたがらない方が望ましい。
【００４１】
このように、ＳｉＣ製ダイオード５の周辺に高耐熱絶縁封止材２４を用いることにより、ＳｉＣ製ダイオード５を高温まで利用可能となる。また、Ｓｉ製スイッチング素子４の周辺など、それ以外の部分に低耐熱絶縁封止材２５を用いているが、低耐熱絶縁封止材２５は高耐熱絶縁封止材２４に比べれば安価なため、高耐熱絶縁封止材２４のみを用いる場合に比べて、製造コストを抑えることができる。また、フッ素系樹脂やポリイミド、ポリアミドなど、高耐熱絶縁封止材によっては厚膜化が困難な場合もあり、本実施の形態のように高耐熱絶縁封止材２４をＳｉＣ製ダイオード５周辺のみを覆うように限定することにより、厚膜化の困難な高耐熱絶縁封止材を用いることも可能となる。
【００４２】
図６は、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５が、別々のベース板２１，２２や絶縁基板１８，１９に実装されている場合を示しているが、実施の形態１〜３における電力用半導体モジュールのように、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５が同一のベース板１に取り付けられた同一の絶縁基板２に実装される場合や、ベース板１は同一であるが別々の絶縁基板１８，１９上に実装される場合など、Ｓｉ製スイッチング素子とＳｉＣ製ダイオードの配置などが異なる場合においても適用することができる。
【００４３】
以上のように、ＳｉＣ製ダイオード５が配置された領域を覆う高耐熱絶縁封止材２４は、Ｓｉ製スイッチング素子４が配置された領域を覆う低耐熱絶縁封止材２５よりも高耐熱特性を有するので、ＳｉＣ製ダイオード５を高温まで利用可能となる。
【００４４】
なお、全ての実施の形態において、ダイオードにＳｉＣ半導体を用いる場合について説明を行ったが、Ｓｉ製スイッチング素子に比べてダイオードの方が低損失、高温利用可能といった特徴を有していれば良く、例えばダイオードに窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドなど他のワイドバンドギャップ半導体を用いても良い。
【符号の説明】
【００４５】
１  ベース板、２  絶縁基板、３  導体パターン、４  Ｓｉ製スイッチング素子、５  ＳｉＣ製ダイオード、６，２０  ワイヤ配線、７，８  主電極、９，１０  制御端子、１１  ケース、１２  絶縁封止材、１３，１４  主電極取り付け点、１５，１６  制御端子取り付け点、１７  取り付け穴、１８  スイッチング素子用絶縁基板、１９  ダイオード用絶縁基板、２１  スイッチング素子用ベース板、２２  ダイオード用ベース板、２３  断熱性材料、２４  高耐熱絶縁封止材、２５  低耐熱絶縁封止材、１００，２００，３００，４００，５００  電力用半導体モジュール。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年8月8日(2012.8.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ半導体素子と、ワイドバンドギャップ半導体素子とを備えた電力用半導体モジュールであって、
前記ワイドバンドギャップ半導体素子は、前記電力用半導体モジュールの中央領域に配置され、
前記Ｓｉ半導体素子は、前記中央領域の両側または周辺に配置され、前記ワイドバンドギャップ半導体素子の素子数を前記Ｓｉ半導体素子の素子数よりも多くしたことを特徴とする電力用半導体モジュール。
【請求項２】
複数のＳｉ半導体素子と、複数のワイドバンドギャップ半導体素子とを備えた電力用半導体モジュールであって、
前記複数のワイドバンドギャップ半導体素子は、前記複数のＳｉ半導体素子に挟まれるように又は囲まれるように配置され、前記ワイドバンドギャップ半導体素子の素子数を前記Ｓｉ半導体素子の素子数よりも多くしたことを特徴とする電力用半導体モジュール。
【請求項３】
前記Ｓｉ半導体素子はスイッチング素子であり、前記ワイドバンドギャップ半導体素子はダイオードであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項４】
前記Ｓｉ半導体素子はダイオードであり、前記ワイドバンドギャップ半導体素子はスイッチング素子であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項５】
前記Ｓｉ半導体素子および前記ワイドバンドギャップ半導体素子は、同一の絶縁基板に実装されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項６】
前記Ｓｉ半導体素子および前記ワイドバンドギャップ半導体素子は、それぞれ別々の絶縁基板に実装されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項７】
前記Ｓｉ半導体素子が実装された絶縁基板および前記ワイドバンドギャップ半導体素子が実装された絶縁基板は、同一のベース板上に設置されたことを特徴とする請求項５または６に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項８】
前記Ｓｉ半導体素子が実装された絶縁基板および前記ワイドバンドギャップ半導体素子が実装された絶縁基板は、それぞれ別々のベース板上に設置されたことを特徴とする請求項６に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項９】
前記ワイドバンドギャップ半導体素子が配置された領域を覆う絶縁封止材は、前記Ｓｉ半導体素子が配置された領域を覆う絶縁封止材よりも高耐熱特性を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項１０】
前記ワイドバンドギャップ半導体素子が配置された領域を覆う絶縁封止材は、フッ素系樹脂、ポリイミド、ポリアミド、エポキシ、高耐熱シリコーン系樹脂のいずれかで形成され、前記Ｓｉ半導体素子が配置された領域を覆う絶縁封止材は、シリコーンゲルまたはシリコーンゴムで形成されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項１１】
前記ワイドバンドギャップ半導体素子は、シリコンカーバイト、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドで作製されたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
この発明に係る電力用半導体モジュールは、Ｓｉ半導体素子と、ワイドバンドギャップ半導体素子とを備えた電力用半導体モジュールであって、前記ワイドバンドギャップ半導体素子は、前記電力用半導体モジュールの中央領域に配置され、前記Ｓｉ半導体素子は、前記中央領域の両側または周辺に配置され、前記ワイドバンドギャップ半導体素子の素子数を前記Ｓｉ半導体素子の素子数よりも多くしたものである。
【国際調査報告】
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2011086896.tif 000010
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